Quali sono i metodi comuni di trattamento termico per la stampa 3D dei metalli?

1. Trattamento di ricottura: elimina lo stress residuo e rende le dimensioni più stabili.
Il processo di ricottura prevede il riscaldamento della parte a una determinata temperatura (solitamente inferiore alla temperatura di ricristallizzazione), il mantenimento della stessa per un determinato periodo di tempo e il successivo raffreddamento lento. Questo rilascia lo stress interno nel materiale, affina o ricristallizza i grani e migliora le prestazioni di lavorazione e la stabilità dimensionale.
Dove usarlo:
Alleviamento dello stress: il metodo di fusione laser del letto di polvere (SLM) potrebbe lasciare stress residuo poiché si raffredda molto rapidamente. La ricottura può aiutare a ridurre i livelli di stress per evitare che il materiale si pieghi o si spezzi durante la lavorazione o l'utilizzo successivi. Ad esempio, le parti strutturali degli aerei vengono spesso ricotte a 600–650 gradi dopo la stampa, il che riduce lo stress di oltre l'80%.
Miglioramento della plasticità: la ricottura affina la dimensione del grano delle parti stampate in lega di titanio (come Ti6Al4V) e aumenta il loro allungamento dal 15% al ​​20%, rendendole migliori per le parti che devono essere formate a freddo.
Stabilizzazione dimensionale: stampi di precisione o parti ottiche possono arrestare la deriva dimensionale che si verifica quando la tensione viene rilasciata attraverso il trattamento di ricottura, che soddisfa standard elevati-di precisione.
Nel caso della realizzazione di ugelli del carburante per i motori LEAP, GE Aviation ha utilizzato la tecnologia di ricottura per ridurre lo stress residuo delle parti stampate da 300 MPa a meno di 50 MPa. Ciò ha reso le parti molto più stabili nelle impostazioni di alta-pressione e alta{{4}temperatura.
2. Trattamento con una soluzione e invecchiamento: rendere la lega più resistente
Principio del processo:
Trattamento della soluzione solida: riscaldamento della lega in una zona monofase-a temperatura elevata-per dissolvere completamente gli atomi di soluto, generando una soluzione solida sovrasatura, seguita da un raffreddamento rapido (come la tempra in acqua) per preservare la struttura ad alta-temperatura.
Trattamento temporale: mantenere la soluzione solida sovrasatura a una temperatura inferiore (tipicamente tra 100 e 500 gradi) per scomporla e formare fasi di rinforzo come la fase ". Ciò renderà il materiale molto più forte e più duro.
Esempio di utilizzo:
Le leghe ad alta temperatura-a base di nichel-come Inconel 718 necessitano di un trattamento in soluzione solida (980–1010 gradi) e di un trattamento di invecchiamento (720 gradi × 8 ore+620 gradi × 8 ore) dopo la stampa. Hanno una resistenza alla trazione di oltre 1500 MPa, sufficientemente forte per i dischi delle turbine dei motori aeronautici.
La lega di alluminio, come AlSi10Mg, diventa più dura del 30% dopo il trattamento termico T6 (soluzione solida a 505 gradi + 170 grado di invecchiamento). Questo lo rende adatto per parti strutturali leggere.
Per ottenere il miglior mix di resistenza e tenacità, la lega di titanio Ti6Al4V viene trattata con soluzione solida (950 gradi) e invecchiamento (550 gradi). Questo lo rende adatto agli impianti ortopedici.
Ad esempio, la camera di combustione del motore Raptor di SpaceX è costruita con parti stampate in Inconel 718 che rimangono resistenti anche dopo essere state riscaldate a 2000 gradi Celsius per lungo tempo, il che rende possibile utilizzare i razzi più e più volte.
3. Pressatura isostatica a caldo (HIP): eliminazione dei difetti interni e rendere il materiale più denso
Principio del processo: nell'HIP, le parti vengono poste in un contenitore ad alta-pressione ed esposte a un'atmosfera di gas inerte (come l'argon) con una temperatura elevata (tipicamente 1.000–1.200 gradi) e un'alta pressione (100–200 MPa). Ciò fa sì che il materiale cambi forma, chiuda pori e microfessure e raggiunga una densità quasi del 100%.
Caso d'uso:
Le pale delle turbine e le camere di combustione sono due parti importanti degli aerei che devono essere in grado di sopportare temperature e sollecitazioni molto elevate. Il trattamento HIP può risolvere i problemi relativi al legame tra gli strati e prolungare la durata a fatica da 3 a 5 volte.
Il trattamento HIP viene utilizzato su impianti medici, tra cui coppe acetabolari e dispositivi di fusione spinale, per garantire che i materiali siano-privi di pori, riducano il pericolo di rilascio di ioni metallici e soddisfino i rigorosi standard di biocompatibilità della FDA.
L'HIP può risolvere i problemi causati dal supporto interno residuo in parti strutturali complesse, inclusi gli ugelli del motore con canali di raffreddamento, per garantire che funzionino bene.
Ad esempio, Siemens Energy utilizza il trattamento HIP per realizzare pale di turbine a gas. Ciò riduce la porosità delle parti stampate dallo 0,5% allo 0,01%, migliora le prestazioni di scorrimento alle alte-temperature del 40% e garantisce alle lame una durata di oltre 100.000 ore.
4. Tempra e rinvenimento: trovare il giusto equilibrio tra durezza e tenacità
Principio del processo:
Tempra: riscaldamento dei pezzi alla temperatura alla quale si trasformano in austenite e poi raffreddamento rapido (ad esempio con olio o acqua) per ottenere una struttura martensitica molto dura.
Rinvenimento: per scomporre la martensite, eliminare lo stress da tempra e rendere il materiale più resistente, mantenerlo a una temperatura più bassa (150–650 gradi).
Dove può essere utilizzato:
Acciaio per utensili: l'acciaio per stampi per lavorazione a caldo H13, ad esempio, viene raffreddato a 1050 gradi e temperato a 580 gradi dopo la stampa. Ha una durezza di 52HRC e un aumento del 50% delle prestazioni di fatica termica, che lo rendono adatto agli stampi per pressofusione.
La tempra (1050 gradi) e il rinvenimento a bassa-temperatura (200 gradi) rendono l'acciaio inossidabile, come il 316L, più forte e più resistente alla corrosione. Ciò lo rende una buona scelta per le apparecchiature chimiche.
Dopo la soluzione solida e il trattamento di invecchiamento, l'acciaio da invecchiamento martensitico come 18Ni300 può raggiungere una resistenza fino a 2000 MPa. Viene utilizzato per stampi ad alta-precisione o parti di strutture aerospaziali.
Boeing utilizza il processo di tempra per realizzare parti del carrello di atterraggio in lega di titanio stampate in 3D. Ciò li rende più resistenti agli urti (35J/cm²) pur mantenendo un'elevata resistenza, che è ciò che la FAA richiede per la certificazione di aeronavigabilità.
5. Trattamento termico ciclico: miglioramento della microstruttura delle superleghe
Principio del processo: La microstruttura del materiale viene controllata passando attraverso diversi cicli di riscaldamento e raffreddamento. Ciò include l'affinamento della dimensione del grano e una distribuzione della composizione più uniforme, il che è positivo per le superleghe a base di nichel-difficili da lavorare.
Quando usarlo:
Lega monocristallina CMSX-4: dopo la stampa, viene sottoposta a un trattamento termico in più fasi (1280 gradi per 2 ore, 1120 gradi per 4 ore e 870 gradi per 24 ore) per eliminare la segregazione dei dendriti e renderla migliore alle alte temperature.
Il trattamento termico ciclico può migliorare la distribuzione dei carburi e rendere le leghe a base di cobalto-come la stellite 6 20% più resistenti all'usura, rendendole adatte per le superfici di tenuta delle valvole.
In uno scenario tipico, Rolls Royce ha utilizzato un trattamento termico ciclico per realizzare i dischi delle turbine dei motori aeronautici RB3025. Ciò ha aumentato la durata a fatica a basso numero di cicli delle parti stampate da 5.000 a 20.000 cicli, contribuendo alla creazione di una nuova generazione di motori.
6. Tendenze e problemi del settore
Controllo intelligente: gli algoritmi AI modificano al volo le impostazioni del trattamento termico tenendo d'occhio i dati di temperatura e stress in tempo reale. In questo modo è possibile regolare esattamente "un forno, una polizza".
Processo composito: combinando il trattamento termico con HIP, rivestimento superficiale e altri processi, disponiamo di una soluzione integrata chiamata "rivestimento per trattamento termico di stampa" che funziona meglio e più velocemente.
Adattabilità dei materiali: per rendere la stampa 3D più utile, i nuovi materiali metallici come le leghe ad alta entropia e le leghe amorfe devono essere trattati termicamente-in modi innovativi.
Difficile
Costo: gli ingenti investimenti e le spese operative della tecnologia HIP rendono difficile permetterselo per le piccole e medie imprese-.
Controllo della deformazione: durante il trattamento termico, parti strutturali complesse possono deformarsi, pertanto la progettazione del supporto deve essere migliorata attraverso la simulazione.
Carenza di standard: il settore non dispone di un unico insieme di regole per i processi di trattamento termico ed è necessario un sistema standard di catena completo, dai materiali alle parti.